基于CFD技术在离心式通风机内部气固两相流数值模拟

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1、基于CFD技术在离心式通风机内部气固两相流数值模拟摘要数值模拟方法是近些年来发展的比较迅速的一种新方法，而CFD技术是目前离心机械领域的研究热点，在离心式通风机设计中也获得越来越广泛的应用。本文介绍了离心式通风机叶轮的CFD数值模拟方法，阐述了国内外学者在这些方面的研究进展,总结了CFD技术在离心式通风机内部流动数值模拟中的应用，重点阐述了介绍了CFD软件的概况和特点，以及fluent软件的组成和应用流程，以离心式通风机为例说明了fluent软件离心式通风机内部气固两相流流场中的数值模拟中的应用包括所采用的模型、控制方程，边界条件等，并对离心式通风机内部

2、流动数值模拟的发展进行了展望。关键词：CFD；Fluent;离心式通风机；气固两相流动；数值模拟1引言气-固两相流通风机广泛应用于气力输送、煤粉燃烧、航空航天、环保除尘等场合。当含有固体颗粒的流体作为工作介质通过叶轮机械，被流体夹带的固体颗粒将对所流经的固体壁面产生磨损作用，严重的将使过流部件洞穿和变形，恶化风机内的流动特性。尤其对于烧结、排尘、锅炉引风机等，由于固体颗粒对叶片和机壳表面的经常冲击，使叶片和机壳磨损最为严重，甚至引发叶片断裂及飞车等重大事故。据有关资料统计，含固体气-固两相流通风机约占年产量40％，可见研究气-固两相流风机磨损具有重要的意

3、义。离心式通风机的内部流动非常复杂，一般是三维的湍流流动，由于叶轮旋转和表面曲率的影响，还伴有如分离流、回流及二次流等复杂流态，是流体工程中最难进行试验和理论研究的流动问题之一。20世纪60年代后，由于计算机技术的发展，寻找问题的数值解已成为可能，所以应用先进的数值方法对三维叶轮的流动进行模拟，准确地模拟出不同工况下流场中的各种细节，获得更多的流动特性，对流动机理的分析及离心式通风机的研发工作等有很大的实际意义。因此，基于以上所述，本文将主要从CFD数值模拟在离心式通风机内部气固两相流数值模拟中的应用现状、遇到的困难及今后的发展前景等方面进行探讨。2离心

4、式通风机内部流场的数值模拟方法及目前CFD在通风机内部流场数值模拟中的应用对于离心式通风机内部流场的计算，早于上世纪40年代就开始了。我国在五十年代初期由著名的科学家吴仲华教授提出了叶轮机械内部两类相对流面理论[1]．这一理论的研究成果对于提高叶轮机械的研究与设计水平有着划时代的意义。上世纪80年代是是叶轮机械内流无粘数值模拟时期，受计算机技术的制约，这个时期的内流计算常简化为二维不可压势流、准三维或全三维势流，以流函数、势函数或欧拉方程为控制方程进行求解。主要的求解方法有流线曲率法和准正交面法。在1980～1990年间，离心风机内流的数值模拟有了新的发

5、展，不再停留在势流阶段，而足开始综合考虑内流的粘性、回流及旋涡对内流的影响，计算机技术的发展也使得更为复杂的数值计算方法开始出现，包括势流一边界层的迭代解法，涡量一流函数法等。从20世纪90年代开始，大容量、高速度计算机的出现、矢量机的问世以及并行计算技术的发展，极大地推动了计算流体力学的发展，离心风机内流数值模拟进入了一个三维粘性数值模拟时期，通过直接求解雷诺时均方程，结合以湍流模型来计算叶轮内的三维粘性流动称为离心式通风机内部流场数值模拟的主流。这时期的数值模拟方法包括压力修正法、时间相关法和拟可压缩法等。离心式通风机内部的气固两相流动的研究起步要晚

6、一些，国内外对叶轮机械中气固两相流的研究首先集中于轴流压气机和汽轮机。到80年代左右对离心风机中气固两相流的研究有所增加。1973年M．Fathy和Tabakof用数值方法求解了透平机械旋转叶栅中固体粒子的运动轨迹。1975年G．Grant和W．Tabakoff12用统计力学的方法对粒子反弹特性及固体壁面磨损进行了预测，首先推导了固体粒子在透平机械旋转叶栅中运动的三维控制方程的一般形式，然后解决了在径向或轴向透平中粒子轨迹和速度的测定问题。A．Hamed在1982年采用三维气体流场计算了汽轮机定子中的粒子运动轨迹[2]。要确定粒子轨迹，就需要知道粒子与壁

7、面之间的碰撞和反弹关系，M．Fathy和TabakoffE在1983年提出了反弹模型[3]。在国内，刘洪胜对鼓风机进行了计算，并在弯管中进行了磨损试验。叶雯在1987年计算了离心风机内粒子运动的轨迹[4]。费瑞乾明考察了边界层对粒子轨迹的影响[5]。邓建玲计算了三元扭曲叶片内粒子的运动轨迹。马林用连续介质模型采用欧拉法分析了离心叶轮中气固两相流流动的规律。姚成范提出了气固两相流离心风机叶型的设计方法[6]。凌志光提出-f-相三元带粒流动的基本方程和一种用于叶轮机械的双重流面求解模型等[7]。樊建人等提出了气固两相流中颗粒一颗粒随机碰撞新模型，该模型主要是

8、针对浓度较高的两相流提出的一种碰撞概率新概念[8]。此外，该模型提出的在所研究的